專業 物理

隱形人微中子:縱觀微中子物理

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撰文者:王子敬(中央研究院物理研究所 研究員)
發文日期:2016-04-27
點閱次數:2861
  • (物理雙月刊 38卷2期 2016/04)

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13微中子雖遍佈於浩瀚的宇宙,卻極難被偵測,一定是內有玄機,背後隱 藏著重要的秘密...... 

    二十世紀初,原子核物理研究正在萌芽,科學家發現β - 衰變中的電子動能呈現連續能譜而非單能分佈。這與動量能量守恆有所矛盾,使人疑惑。1930 年奧地利物理學家Pauli 大膽的假設在β - 衰變中,有一質量極小、不帶電荷、且與物質不會有交互作用的粒子釋出。1932 年,英國科學家Chadwick 發現中子(neutron),雖為中性但因質量太大,不可能在β - 衰變中釋出。1934 年,意大利的Fermi 發展β - 衰變的理論,同時命名這神祕的粒子為〝neutrino〞---『微中子』,在意大利文中有微小的中子的意思[ 註1]。
     

      在1956 年,美國物理學家Cowan 和Reines 在實驗中偵察到核能發電釋出的微中子,並稱之為「人類所設想到最細小的物質」。這項重要發現榮獲1995 年諾貝爾物理獎。可是時至今天,我們尚未透徹瞭解這充斥整個宇宙的基本粒子。微中子基本特性的研究,包括質量、不同種類微中子間的混合和與物質的交互作用等,仍是基礎科學的前沿課題,為「兵家必爭之地」。研究結果對粒子物理、天文物理及宇宙學等領域的發展,深具影響。現在確知的是微中子雖有質量但遠比電子為輕,它不帶電荷,自旋1/2 和只有弱交互作用,且有三個不同家族的微中子( e ν 、μ ν 和τ ν ) 及它們的反粒子。美國科學家Lederman, Schwartz 與Steinberger 於1962 年在加速器中發現μ ν 微中子,獲得1988 年諾貝爾物理獎。

      探討微中子的特性,除了是瞭解粒子物理現象的課題[ 註2] 外,對解答天文物理和宇宙學[ 註3] 的疑團,亦深具意義。微中子為剖析統一場論的結構與描述宇宙學―研究最小和最大尺度中的物理現象―的橋樑。

    不同的微中子源,有不同的能量範圍( 圖一),在實驗研究中有互補之優點。但困難處是微中子只能與物質有極微弱的交互作用。例如核能發電廠可以產生大量的微中子[ 註4],它們平均需要穿透200 多光年的水( 一光年約為地球跟太陽距離的六萬三千倍),才會產生一次作用被「拍照分析」。因此,微中子物理就像是研究「隱形人」的領域。偵測微中子所以是項艱鉅的挑戰,需要龐大體積的探測器和拓展技術前沿的實驗( 原稿附Super-Kamiokande,KATRIN, IceCube ... 等實驗使人撼動感動之照片,但因版權規範不可刊登,讀者可自行於網路搜尋)。經數十年的努力,物理學家已偵察到從太陽、宇宙射線、加速器、核能發電廠、超新星爆炸與天體釋放出的微中子。

      在核物理,電弱作用和強交互作用的研究中,均有採用來自加速器的微中子作粒子源。微中子能提供分鑑力高的訊號,並沒有難以處理的強作用背境事例,有助於分析數據和推論結果。而源自天體的微中子,由於是來自星辰核心,為直接探索天體內部的結構和運作的重要工具。例如太陽微中子的測量,是太陽核心的發熱機制為核融合的直接證據,並可以之推算太陽內部溫度,其通量在年中之變化更可反推地球圍繞太陽軌跡的橢圓性。

      美國的Davis,自60 年代開始,利用六百多噸的清潔劑,於Homestake地下實驗室,測量太陽微中子(2002 年諾貝爾物理獎),靈敏度是在約1030個2 4 C Cl 分子中,偵察每天一個的37Ar 原子。實驗結果是成功的偵察了太陽微中子,證明了太陽的能量確實為質子( 氫) 的核融合作用所產生。但數據同時顯示測量到的微中子通量,較太陽運作的標準模型為少。這『太陽微中子問題』,困擾了基礎科學四十多年。這疑團終於在1998 年開始得到解答。物理學家在太陽、宇宙射線、加速器與核能微中子的測量中,發現它們在穿越空間時會「變臉」──即從一種微中子轉變成另一種微中子。這種轉變被稱為「微中子振盪」(neutrino oscillation)[ 註5]。微中子必須有質量才能「變臉」,且三個不同家族的微中子可互相作量子混合。為此,粒子物理中原固若金湯的「標準模型」(Standard Model),也需要作出修訂[ 註2]。這精彩故事與台灣在其中發展的角色,讀者可參閱本期雙月刊中林貴林、陳俊瑋、熊怡各老師的專文介紹。

     繼續閱讀 物理雙月刊38卷2期 (2016/04號)......http://psroc.org.tw/Bimonth/images/uploafiles/files/2016年4月份集結檔0414.pdf

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